CN102498258A - 采油立管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括自支撑立管(SSR)的系统，所述自支撑立管与井连接从而对海底下方深处的化石油气储层进行开采。所述SSR是由多个接头构成的，上述多个接头包括规则接头和对所述SSR进行限位并被选择用来将用于井的所述SSR优化在特定位置的特制接头。本发明的SSR的特有方面是能够连接至海底的井口或采油树的同时，还能够在操作过程中固定至锚。本发明还涉及通过诸如系泊缆绳(hawser)的绳索系泊在SSR上的小型船，所述立管向船提供锚，并且所述SSR将流体从井运送至船和从船运送至井。所述船具有对来自所述井口的流体进行处理的设备。
Description
相关申请的交叉参考
本申请是2010年3月1日提交的、名称为“立管技术”、主张2010年6月4日提交的美国临时申请第61/351,374号、2009年7月15日提交的美国临时申请第61/225,601号、2009年8月10日提交的美国临时申请第61/232,551号、2009年10月19日提交的美国临时申请第61/252,815号、2009年10月20日提交的美国临时申请第61/253,230号以及2009年10月20日提交的美国临时申请第61/253,200号的权利的、第12/714,919号申请的部分延续申请，上述美国临时申请的全部内容以引用方式并入本文中。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用
技术领域
本发明涉及从海底下方深处的化石油气储层(fossil hydrocarbonsreservoir)开采碳氢化合物用的立管(riser)。进一步地，本发明涉及所述立管到经受强的纵摇和横摇的船舶运动的船的接口连接。小船采用了用于甲板上的分离处理设备的特有稳定系统。
背景技术
为了从墨西哥湾和其他近海区域下面的化石油气储层中回收碳氢化合物，通常做法是建立各种设计的平台，这些平台上支撑有将井中的产品分离，即将液态的碳氢化合物(油)从水和气体中分离的分离设备。这些平台结构花费上百万美元，且除非它们用于一个以上的井并且有指示已经确定井中有使这些结构到位的足够的油/气，否则这些花费并不合理。本发明的采油立管(production risers)甚至可以用在油田或油气储层的范围被完全开采之前的新钻井上。使用低成本的采油结构，即SSR，对第一个钻井就可以进行储层评估而不用钻出其他井。SSR必须能够处理意外情况和预期情况。
发明内容
本发明涉及一种系统，其包括自支撑(supporting riser)立管(SSR)，所述自支撑立管与井连接从而提供与海底下方深处的化石油气储层的流体连通。SSR是由多个接头构成的，这些接头包括规则接头和对所述SSR进行限位并被选择用来将用于井的SSR优化在特定位置处的特制接头。本发明的SSR的特有方面是，能够连接至海底的井口或采油树的同时，它还能够在操作过程中固定至锚上。本发明还涉及通过例如系泊缆绳(haswer)的绳索系泊在SSR上、经受强的船舶运动的小型船，所述立管向船提供锚，并且所述SSR将流体从井运送至船并从船运送至井。
附图说明
图1是与井连接的自支撑立管(SSR)的示意图，该自支撑立管用于从海底下方深处的化石油气储层探测和开采碳氢化合物；
图2是自支撑立管(SSR)的一个实施例的示意性剖视图，该剖视图示出了并排的多个管件；
图3是自支撑立管(SSR)的另一个实施例的示意性剖视图，该剖视图示出了同轴配置的多个管件；
图4是自支撑立管(SSR)和船的示意图，该自支撑立管与井连接，用于从海底下方深处的化石油气储层中开采碳氢化合物，该船经受强烈的船舶运动、系在向船提供锚的所述SSR上；
图5是具有处理设备的新型采油船的示意性俯视图，所述处理设备在船上的稳定框架上；
图6是新型采油船的示意性侧视图；
图7是船构造的俯视等距视图；
图8是船上稳定框架的等距视图；以及
图8A是示出了用于稳定船上的框架的液压系统的示意图。
具体实施方式
本发明涉及立管系统，所述立管系统包括与井流体连通从而对海底下方深处的化石油气储层进行检测并开采的自支撑立管(SSR)。进一步地，本发明还涉及自支撑立管(SSR)，所述自支撑立管与井流体连通并且优选包括系泊在该自支撑立管(SSR)上且具有位于甲板上的稳定框架上的处理设备的小型船，所述自支撑立管(SSR)从海底的井中将流体运送至船上的处理设备。
与现有技术相比，为了充分的降低成本，本发明使用小型船以使船上的处理设备容易操作，而不使用几百万美元的平台或者具有大的日费用的大型船。优选的是，船系泊在SSR上使得小型船不需要使用动态定位来保持船的位置，从而进一步降低成本。
本发明使用SSR提供从井或海底采油装置到系泊在该SSR上的小型船的流体连通，而不是使用固定至平台或大型船上的立管。
SSR的设计以及在海底基础设施上的装配和布置的方法和技术在美国专利申请第12/714,919号中全部阐明。
参照图1，自支撑立管(SSR)10被示出在海底基础设施的一个元件上，例如井口20上。当SSR 10位于井口20上时，SSR 10提供与海底下方的井之间的流体连通。立管10具有一个或多个浮力模块(buoyancymodule)15和19。最上方的浮力模块19在本文中是指接近海面的浮力模块而在模块19下方的任何模块在本文中都是指水中浮力模块。在SSR 10的下端是适于对准海底基础设施的井口或采油树(tree)或者另一元件的连接器25。优选地，海底关闭装置(Seafloor Shutoff Device)11(在使用时)可以在连接器25的正上方。具有防喷器(BOP，Blow OutPreventer)功能的特制接头18优选在接近海面的浮力模块19的下方。防喷器(BOP)18的功能可以是必要时剪切油管或管子并向立管10中的流体提供密封。在没有油管或管子经过该BOP装置时，该SSD 11可以简单地由一个或多个活动阀构成。
图1仅示出了SSR 10的一种具体设计；然而，如第12/714,919号中所述的本发明还包括如下条款：从标准接头的清单装配用于特定目、水深、水流状况、或者位置的SSR，以及收回接头并将这些接头中的一些或全部装配成用于不同应用的不同的SSR配置。将SSR 10放置在井口或采油树20上，通过打开井而使流体流动和允许与SSR进行流体连通来完成井的预开采。本发明的一个方面是，本发明的系统可以允许流体经过一定时间从井流向系泊的船从而确定流体流出的储层的材料参数。当在钻孔过程中显示出压力和温度时，优选通过允许流体随着时间从储层中流出来测量储层中压力的持续性或者气体和水随着时间从特定储层中流出的量。
参照图2和图3，这些图示出了立管10可以是多个管件结构；图2示出了一个或多个并排的管件101和管件102，而其余区域是空的或者填充有绝缘物，图3示出了一个或多个被隔离件103分隔开的同轴管件101和102，隔离件103被绝缘物环绕。在钻孔过程中，储层中或者易于形成水合物(hydrates)的气体与水的混合物中的高压力指示可能表明需要特定结构的立管。例如，可能用于气体再注入的目的，当井在井套管中具有一个以上管件时，例如，一个管件延伸至一种深度的储层而另一个管件延伸至更低深度的储层，在立管中可以使用并排的管件。例如，当需要双倍容量时或者当可以使用热水对可能会形成水合物的内部管件中流动的流体进行加热时，可以使用同轴管件立管。
在整个采油过程中，立管10可连接至海底基础设施的元件上，例如井口或采油树20(图1)，或者可以连接至诸如桩柱(pile)的海底锚22、或者重力锚或埋入锚(图4)上。SSR 10的下端部具有用于使柔性跨接线26连接至采油树20的构造(provision)，以使碳氢化合物从井中流出并且向上穿过立管10。还具有使控制脐(control umbilical)12延伸至采油树20的构造。
SSR 10与海底锚的连接优选通过柔性连接器25连接，例如链条25′的两段半链接，其允许立管10在任何方向上倾斜但防止立管10的轴向转动。可能的备选方案包括一段可弯曲但不会纵向弯曲的柔性管或者柔性接头，例如通常作为用于钢制悬链线立管的挂钩。诸如链条的两段半链接的机械连接使SSR在任何罗盘方位从垂直位置自由倾斜，由此避免SSR在接近海底处的弯曲转矩。构造SSR与锚之间的机械连接以防止SSR绕着它的轴转动，防止了在所示的连接至井或采油装置的柔性管26上的过载。机械连接可以是简单的，或者可以是更复杂的并且可包括构造为诸如用于通过ROV或其他远程器件进行连接和释放的功能。
转环可置于SSR 10中的任何位置，以使船经受多次搬运而不会使立管中产生过度转矩。采油立管10优选具有安装在接近海面的浮力模块19上方的转环24。转环置于SSR中的高处但在浮力下方可能需要转环在高拉力下运作。将转环放置于接近海底使转环定位在SSR张力低的位置，但使转环经受高环境压力并将转环放置在较难接近的位置。转环24(或多个转环)在SSR中优选位于如图示的到浮力的负载路径上方从而避免强张力以及与接近海底放置转环有关的复杂性。用于立管10与船30之间的流体流动的单个转环24、控制(脐12)、以及连接的系泊缆绳36可如图所示布置，或者具有或不具有避免流体转环上的系泊缆绳张力的构造的分离转环可位于图中所示位置。操作转环所需的转矩必须小于SSR的转矩额定值并且必须小于打破SSR中任何螺纹连接所需的转矩。风流向从东至南至西至北逐渐频繁改变，反之亦然。风这样改变能够驱动系泊的船绕着系泊点多次顺时针或逆时针驱动。通过使用一个或多个转环，对SSR和相关的柔性管的潜在的破坏性的轴向转矩是能够避免的。
小型船30的系泊可以如图4所示，其中系泊缆绳36从SSR 10的顶部延伸至在海面上漂浮的系泊浮标37，系泊缆绳38延伸至船30以将船30固定在SSR 10的上部。连接至浮标37的系泊缆绳36可安装作为装配采油立管10的一部分。所示出的柔性管27从SSR的上部优选通过转环24连接至船30，从而为来自下面的井或采油装置中的开采流体提供了流动路径的延续。浮力28可以用来支撑并趋向柔性管27。
经受相对强的纵摇和横摇运动的小型船30由于它的尺寸而被用在本发明的采油系统中，这避免了像较大型船可能会出现的使SSR 10过载。当未经受船系泊的负载时，SSR 10直立，仅经受自身重力和由于海洋流的拖曳力(如图1所示)。当船30系泊至SSR 10时(图4中所示)，风和表层流拉动船并且SSR的顶部远离原本的SSR的直立位置，直到产生的偏移角和浮力的向上力生成与船上的力相平衡的恢复力来固定和系住船。当放松或释放船的力时，SSR将其自身恢复成接近直立姿态，在此姿态下能够无人照顾存在并且为后续使用做好准备。
风、洋流或系泊的船30上的其他力拉动系船缆绳38并使水面浮标37移动直至缆绳36和缆绳38拉紧为止。然后船继续移动并拉动系船缆绳38直到通过拉动立管偏离垂直位置并将水面浮标拖向水中更深处而产生足够的恢复力。当恢复力等于移动船所用的力时，船变得基本上静止。移动船所用的力的增加或减少会使这种几何体调整直到船位置再次稳定。
来自系泊的船30的水平力拉动SSR 10偏离垂直位置，从而使SSR的顶部向下移动至水面下方更深处。由于缆绳36不是水平的，该缆绳上的张力包括将水面浮标拉向水中更深处并增大立管中张力的垂直成分。来自浮力模块19的水平恢复力与在立管顶部的总向上力乘以偏离SSR的垂直位置的倾斜角的正弦成比例，上述倾斜随着SSR被进一步拉离垂直位置而逐渐增大。因此，恢复力随着SSR的顶部被进一步拉离其垂直位置而逐渐增大。水面浮标37足够大以防止该浮标37被完全地拉入水下，并且缆绳36的长度选择为使其实现立管张力与立管倾斜之间所需的关系。缆绳36总是足够长以使得水面浮标能够干舷浮动。除此之外，使缆绳36更长以便使立管有更大的最大倾斜并且减小立管中的最大张力。
立管顶部的总水平力必须受海底水平力成分的影响。柔性连接件25的使用的优选实施例为链条的两段半链接，允许将立管张力的水平成分传送至锚22而没有在立管中没有产生弯曲转矩。
SSR顶部的深度随着SSR被拉离垂直位置而增大。如果浮力模块19是密封的气罐，经过它的壳压力差将会增大，并且一定不允许超过壳的额定值。如果浮力模块19是排放型气罐，里面的气体将会压缩，因而浮力将会下降，并且一定不允许浮力下降至所需值以下。在任一种情况下，这些困难可以通过使用来自船的脐12以修整浮力模块19的气体填充来避免。脐12优选配有(dress with)柔性管27，但也可以是与船分离的线。
当碳氢化合物流体被引入船30上时，必须在运输之前对它们进行处理。用于这种处理的装置29通常必须被合理稳定地保持着以防止油罐中的流体晃动并且使液态油从水中分离。例如上面所述的能够适当地系SSR 10上的小型船30在任何给定海面状况下都呈现出相对大的纵摇和横摇运动。仅当海面较平静时才操作采油系统是不切实际的。因此，如上述的系泊的小型采油船的实际使用需要用于安装流体处理设备29的稳定支座。垂荡(垂直)运动对处理设备具有很小的影响。纵荡和横荡运动通常很小，而纵摇和横摇运动需要稳定性。通过较小的调节，US SN12/714,919中所述的纵摇/横摇稳定系统可以在这里使用，来支撑用来安装对纵摇和横摇敏感的处理设备的框架。然而，在本发明的处理系统中，在气缸上面设有稳定框架的实施例是优选的。
下面参照图5、图6和图7，它们示出了船30的甲板31上支撑着处理设备29的的稳定框架40。处理设备29被示意性地示出，但没有示出所有的连接线，虽然连接线的一些组合是可能的。例如，处理设备可包括使气体、液态碳氢化合物和水分开的分离器油箱42和43。气体从油箱42和43的顶部移出，并且被压缩并传输至气罐44。水沉淀至油箱42和43的底部并被移出、净化并排出。液态碳氢化合物从油箱42和43中水的上方移出并被传输至可位于甲板下方的油罐48。设备29的布置的组合包括按照从线27流进一个或多个分离器油箱42和43中的现有行业惯例而使用的一个、两个或更多个油箱42和43。分开的油可被保持在船30上的油罐48中，或者可以被传输至第二艘船或者驳船(未示出而被运至海岸。水可以在装置46或者在离心机49中被净化；或者在一系列离心机49中被处理；或者在回到海里之前在另一艘船上被处理。这里不打算像碳氢化合物和水的混合物所引入的具体的设备组合那样详述所有可能设备组合，立管10将确定出设备最适合的组合。
如图8和图8A所示，框架40可被安装在2(二)对或更多对垂直安装的液压缸上并且由这2(二)对或更多对垂直安装的液压缸支撑着。优选的是，各气缸以气缸杆朝上连接到船甲板31，且所述杆通过柔性(compliant)接头51与框架40相连以适应随着船的纵摇和横摇而产生的对准变化。每一对气缸通过连接到各对气缸底部的相对大直径的液压线，以及连接到各对气缸顶部的较小直径的液压线相连接。在图8中，为了简化说明，示出了一对气缸船头(52F)和船尾(52A)，并且示出了另一对气缸左舷(53P)至右舷(53S)。当船前方向上纵摇(见图8A)时，通过将流体从船头气缸52F传送至船尾气缸52A而使船头气缸较短而船尾气缸较长，从而避免框架的倾斜。需要一个力使框架加速，于是框架的任何加速都会导致对位于船上升处的气缸(52F)施加更高的力，因此气缸中压力升高使得流体流到位于船下降处的气缸(52A)。在无摩擦系统中，惯性将会保持框架水平，只要重心位于各气缸间的中心即可。需要主动控制来克服摩擦力并提供相关的能量以及补偿重心偏差。
如图8和图8A所示，在各对气缸之间安装有可逆泵，泵55位于气缸52F与气缸52A之间，并且泵57位于气缸53P与气缸53S之间，上述泵优选位于气缸的非承重室之间。这就使在低压下抽吸变得容易，并且在气缸以杆端部向上安装时，抽吸更小量流体，由此减小了能量消耗并改善了可靠性。
从参考信号中减去由倾斜计得到的反馈信号，得到的误差信号被用来控制泵的方向和速度，倾斜计58控制泵57，并且倾斜计59控制泵55。因此，随着框架沿着一对气缸之间的轴线而倾斜，泵加速，而随着框架上的该轴线变为水平，泵减速并停止。明显的是，倾斜计(58′和59′)可以相对于船的甲板31而替换地固定，并被用来驱动框架40在与甲板的运动方向相反的方向上。另外，显而易见的是，具有适当信号调节的加速计可被用来作为倾斜计的替换物或倾斜计的元件，而且，进一步地，可以在甲板和框架上使用传感器的组合。
如果使用在三个气缸之间分配流量的一些方法来保持框架的水平，那么框架可安装在这些气缸(或任何奇数气缸)上。优选成对气缸以简化控制系统。两对气缸对于所需性能来说是足够的。如果有3对或更多对，那么系统会在任何失败之后继续运行，只要两对气缸仍在运行并且其余对气缸没有被锁定到位即可。因此，使用3对或更多对气缸允许在失败之后操作得以正常继续，并且允许从服务中移除一对气缸进行维护而剩余对的气缸继续保持框架水平。
期望但不是必须的是，将框架及其负载的重心定位在气缸间的正中心处。然而，重心置于中心往往是不现实的，而且在操作过程中负载可能会改变。对于这里描述的系统而言，使偏移的重心保持静止需要接近重心处的气缸中的较大的压力，而在远离重心处的气缸中相应地较小的压力，以保持框架水平。这种差异(偏压)对于各对气缸来说可以是不相同的。由于各个泵是通过由倾斜计或加速计生成的信号控制的，因而它们会自动生成所需偏压。当将流体从一个较重负载气缸室传送到较轻负载气缸室时，可能需要将泵作为马达来进行操作，并将能量从负载递送给电源。例如，如果流入齿轮马达/泵的流体压力超过从装置流出的流体的压力，就通过使用作为马达进行操作的液压齿轮泵来实现。
Claims (30)
1.一种立管系统，包括：
单个的自支撑立管(SSR)，所述自支撑立管包括多个接头，所述多个接头包括规则接头和对所述SSR进行限位并被选择用来将所述SSR优化在特定位置的特制接头；至少一个特制接头包括浮力模块，所述浮力模块是接近海面但在所述海面下方的最上方的浮力模块，而另一个特制接头具有在所述SSR的下端用来防止所述立管中的过度弯曲转矩的构造；所述立管提供在所述SSR与在海底具有井口的井之间的流体连通；以及
所述SSR中的特制接头提供在所述SSR与经受强的垂荡、纵摇和横摇的船舶运动的船之间的流体连通。
2.根据权利要求1所述的立管系统，其中，所述SSR中在所述SSR与船之间提供流体连通的所述特制接头包括转环。
3.根据权利要求1所述的立管系统，其中，所述SSR被固定在海底基础设施的元件上。
4.根据权利要求1所述的立管系统，其中，具有在所述SSR的下端用来防止所述立管中的过度弯曲转矩的构造的所述特制接头是柔性连接器。
5.根据权利要求4所述的立管系统，其中，所述柔性连接器与所述海底上的锚相连接。
6.根据权利要求4所述的立管系统，其中，所述柔性连接器是一段柔性管。
7.根据权利要求4所述的立管系统，其中，所述柔性连接器是链条的链接。
8.根据权利要求2所述的立管系统，其中，所述转环位于所述浮力模块上方。
9.一种采油系统，包括：
自支撑立管(SSR)，所述自支撑立管包括多个接头，所述多个接头包括规则接头和对所述SSR进行限位并被选择用来将所述SSR优化在特定位置的特制接头；至少一个特制接头包括浮力模块，所述浮力模块是接近海面但在所述海面下方的最上方的浮力模块；所述立管与海底上具有井口的碳氢化合物开采井进行流体连通；以及
经受强的垂荡、纵摇和横摇的船舶运动的船；所述立管向所述船提供锚并且提供所述井与所述船之间的流体连通。
10.一种经受强的垂荡、纵摇和横摇的船舶运动的小型海船，在所述小型海船的甲板上具有碳氢化合物处理系统，所述小型海船包括：
稳定框架，在所述稳定框架上保持所述碳氢化合物处理设备；以及
稳定系统，所述稳定系统由成对气缸构成以维持所述框架实质水平。
11.根据权利要求10所述的小型海船，其中，各个所述气缸安装在所述甲板上并且各个气缸杆向上延伸至柔性连接件以支撑所述框架。
12.根据权利要求10所述的小型海船，其中，存在至少两对气缸。
13.根据权利要求10所述的小型海船，其中，每对气缸通过加速计或倾斜计控制。
14.根据权利要求10所述的小型海船，其中，每对气缸具有液压控制系统，所述液压控制系统包括位于承重室之间的流体线和位于非承重室之间的第二条线；以及
在所述线中的一者中的可逆泵。
15.根据权利要求14所述的小型海船，其中，所述泵在所述非承重线中。
16.根据权利要求14所述的小型海船，其中，所述泵由加速计或倾斜计控制。
17.根据权利要求10所述的小型海船，包括到达自支撑立管的系泊缆绳，所述自支撑立管在下端处具有允许所述SSR被拉离垂直位置而不会给所述SSR引入高弯曲转矩的柔性连接件。
18.根据权利要求10所述的小型海船，包括：
使所述船固定并系泊在自支撑立管上的缆绳和水面浮标，通过所述自支撑立管将所述碳氢化合物从海底运送至所述碳氢化合物处理设备。
19.一种自支撑立管(SSR)，包括：
多个接头，所述多个接头包括规则接头和对所述SSR进行限位并被选择用来将所述SSR优化在特定位置的特制接头；
至少一个特制接头包括浮力模块，所述浮力模块是接近海面但在所述海面下方的最上方的浮力模块；以及
最下方的特制接头是柔性连接器。
20.根据权利要求19所述的自支撑立管(SSR)，还包括：
在所述连接器上方的、为海底关闭装置的特制接头；以及
在所述浮力模块下方的具有防喷器功能的特制接头。
21.根据权利要求20所述的自支撑立管(SSR)，其中，所述立管是多个管件。
22.根据权利要求19所述的自支撑立管(SSR)，其中，所述柔性连接器与海底基础设施连接。
23.根据权利要求22所述的自支撑立管(SSR)，其中，所述海底基础设施是锚。
24.根据权利要求19所述的自支撑立管(SSR)，其中，所述柔性连接器是一段柔性管。
25.根据权利要求19所述的自支撑立管(SSR)，其中，所述柔性连接器是链条的链接。
26.根据权利要求19所述的自支撑立管(SSR)，还包括：
转环，所述转环位于所述SSR的顶端，用于缆绳的连接，以将碳氢化合物从所述SSR运送至船上的稳定平台上的处理设备中。
27.根据权利要求26所述的自支撑立管(SSR)，其中，所述转环位于所述浮力模块上方。
28.一种碳氢化合物开采系统，包括：
自支撑立管(SSR)，所述自支撑立管(SSR)包括多个接头，所述多个接头包括规则接头和对所述SSR进行限位并被选择用来将所述SSR优化在特定位置的特制接头；至少一个特制接头包括浮力模块，所述浮力模块是接近海面但在所述海面下方的最上方的浮力模块；所述立管与海底处开采碳氢化合物的具有井口的井进行流体连通，和
系泊在所述SSR上的船；
所述立管在所述SSR的下端处具有用于防止所述立管中的过度弯曲转矩的特制接头，以向所述船提供锚并且提供所述井至所述船之间的流体连通。
29.根据权利要求28所述的碳氢化合物开采系统，其中，所述SSR还包括：
接近所述在下端处用来防止所述立管中的过度弯曲转矩的所述特制接头的、为海底关闭装置的特制接头；和
在所述浮力模块下方的具有防喷器功能的特制接头。
30.根据权利要求28所述的碳氢化合物开采系统，其中，所述立管是多个管件。
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